ТЕМА № 5. Системний, процесний і кібернетичний підходи опису технічних об’єктів

Специфіка технічних наук та їх місце в розвивальній структурі наукового знання. Технікознання. Сутність, структура та класифікація технічних систем. Фундаментальні та прикладні дослідження. Техніка. Технічний об’єкт (ТО) і технічна система (ТС). Математична модель лосліджуваного об’єкта. Означення та розвиток ТС. Елементи і підсистеми ТС. Ієрархічність. Уявлення про складну ТС. Аспекти опису ТС та їх форми прояву. Описи ТО. Потреба або функція системи. Технічна функція. Класифікація функцій ТО. Функціонально-фізичний метод Р. Коллера. Процесний підхід. Потокові зв’язки. Фізична операція (ФО). Опис ФО Р. Коллера. Функціональні структури (ФС). Конструктивна ФС. Потокова ФС. Фізичний принцип дії. Фонд природничо-наукових і науково-технічних ефектів. Спосіб дії. Режими функціонування ТО. Технічне рішення. Проект. Властивості ТО: характеристики, параметри, показники. Керування та збурення. Математична модель (ММ) поведінки ТС. Стійкість ТС та її ієрархічні рівні. Гомеостаз: суть, як рівень керування, негативний зворотний зв'язок. ТС стабілізації. Системи автоматичного регулювання (САР). Розімкнуті та замкнуті системи керування. Активні форми стійкості. Адаптація: означення, види. Надійність: означення, ефективність. Живучість: означення, модульна побудова техніки, пасивні й активні модульні елементи. Динамічні та функціональні системи. Кібернетичний підхід. Системи керування: суть, склад. Ситуація та ситуаційне управління. Рівні якості ТС: стійкість, шумостійкість, керованість. Вектор збурень довкілля. ММ технічної керованої системи (ТКС). Рефлексивний тип ТКС. Екстремальні моделі керування. Цільова функція (критерій). Мета керування екстремальних ТС. Екстремальні системи автоматичного керування (САК). Принцип необхідної різноманітності У.Р. Ешбі. Різноманітність керуючої системи. Принцип необхідної складності. Адаптивні системи. Параметричні і непараметричні адаптивні САК. Самоорганізуючі системи. Принцип зовнішнього доповнення Ст. Біра. Каузальні, доцільні та цілеспрямовані САК. Основні принципи системного підходу.

"Наука подібна часу. Вона завжди йде вперед і ніколи назад. Кожен новий

день приносить багато невідомого і наближає нас до розкриття таємниці

світобудови. Ось така ж і сутність науки. Вічний рух – ось запорука успіху.

Знання рухають нами, а ми в свою чергу управляємо засобами науки умами оточуючих"

К. Томпсон

“Те, що сьогодні наука, – завтра техніка ”

Едвард Теллер

_____________________________________________________________________________________

Техніка(від грец. techne – мистецтво, майстерність) – сукупність засобів, створених людством для обслуговування своїх потреб виробничого і невиробничого характеру. У техніці матеріалізовані знання і виробничий досвід, накопичені людством у процесі розвитку суспільного виробництва.

Технічні науки займають проміжний стан у загальній системі наук між науками гуманітарними та природничими, тому що цілі, які вони накреслюють перед собою, визначаються соціальними відношеннями, потребами людини, попитом суспільного виробництва, а їх досяжність – природними законами. Гуманітарні науки (від лат. humanitas – людство) – суспільні науки (історія, економіка, філософія, філологія тощо) покликані досліджувати проблеми та суперечності, які виникають у суспільстві, при спілкуванні між собою, а також зі знаковими і виробничими системами. Очевидно, що природничі науки (фізика, хімія, біологія, геологія тощо) – це динамічні системи наукових знань, які досліджують певні явища в природі, метою використання їх в практичній діяльності людей. Об’єктом дослідження природничих наук виступає сама природа. В основі природничих наук лежить експеримент, його узагальнення у вигляді законів і, нарешті, побудова теорій, які є найбільш високою формою узагальнення та систематизації наукових знань.

У середині XІX століття в результаті процесів диференціації наукових дисциплін і визначався структурною диференціацією, якоїзазнали спочатку фундаментальні науки (фізика, хімія тощо), потім гуманітарні, суспільні та прикладні науки, і нарешті, технічні науки. Таким чином, спостерігалась соціальна трансформація фундаментальних знань у прикладні, а останні ‑ у власне технічні знання.

Розглянуті вище глобальні процеси диференціації та інтеграції істотно вплинули на розвиток технікознання – знання про закони створення, функціонування і розвитку техніки. Розрізняють теоретичне і практичне технікознання.

Теоретичнетехнікознання базуючись на об’єктивних природних і суспільних закономірностях досліджує, насамперед, тенденції розвитку техніки – закономірності збільшення номенклатури, ускладнення та вдосконалення конструкцій об’єктів техніки. У свою чергу, практичне технікознання вивчає процеси прийняття інженерних рішень у сфері проектування об’єктів техніки і виробничої технології.

Головна особливість технічних наук визначається тим, що вони функціонують на стику наукової й інженерної діяльності, а тому їм притаманна своє специфічне завдання – виявляти зв’язок будови та функціонування технічних об’єктів. Отже, технічне знання є знанням про штучні об’єкти, створені людьми для досягнення тих або інших цілей. Змістові особливості цього знання, пов’язаного зі сферою інтелектуального конструювання, полягає в тому, що воно насамперед виявляє зв’язок структурних, функціональних і природних характеристик штучного об’єкта.

Штучні технічні об’єкти являють собою синтез “природного” та “штучного”. Їх штучність виявляється в тому, що вони є продуктом творчої людської діяльності, відображаючи у собі цілі цієї діяльності. Зазначимо, що природничонаукове знання, зокрема фізичне, отримують внаслідок абстрагування від властивостей реальних предметів, речей і явищ природи (у тому числі граничного абстрагування-ідеалізації), нехтуючи неістотніми зв’язками, взаємодіями і процесами (явищами) та розглядаючи замість реального фізичного явища його схематичну модель, в якій відображається за допомогою ідеальних фізичних об’єктівта процесів тільки істотні зв’язки, взаємодії та процеси. Роль ідеальних об’єктів і процесів відіграють матеріальна точка, абсолютно тверде тіло, адіабатний процес тощо. Разом з тим, технічне знання відноситься до об’єктів, які є не тільки ідеальними (електричний коливальний контур, чотириполюсник, кінематичний ланцюг тощо), але одночасно реальними об’єктами. Крім цього, поряд з критерієм істинності, який притаманний будь-якому знанню, для технічного знання характерний критерій ефективностів контексті інженерних розробок.

Таким чином, технічне знання дає опис функціонування технічного об’єкта за умови відомих його властивостей, фізичних і хімічних процесів, а також характеристик зовнішнього середовища. Саме тому, аналіз фізичних і хімічних процесів, що відбуваються в технічних об’єктах, направлено на виявлення сутності технічних властивостей. Тому в технічний теорії(найбільш висока форма узагальнення та систематизації знань) окрім функцій, які притаманні природничонауковій теорії (опис, пояснення, завбачення), існує ще конструктивно-проектна функція.

Технічні науки історично сформувалися значно пізніше (XIX ст.) ніж природничі, тобто в епоху зародження та прискореного розвитку глобальних інтегративних процесів. Тому специфікою технічного знання є його інтегративний характер, що об’єднує природні, функціональні (технічні) та конструктивні (морфологічні) параметри технічних об’єктів. Обмеження, що задаються природничонауковими законами, істотно впливають на ефективність функціонування створеного технічного об’єкта. У той час, як природничонаукове знання виникає при цілеспрямованому дослідженні існуючої природи та її проблем, то технічне знання формується на рівні попередньо поставлених завдань практики (інженерної діяльності) – створення нових штучних об’єктів, які мають задані властивості, параметри та характеристики. Із практичної направленості технічного значення випливає необхідність стандартизації свого змісту, що закріплюється законодавчо у вигляді патентованих винаходів і промислових зразків, які задовольняють суспільно- практичні потреби. Ось чому, технічні науки розглядаються як відносно самостійні науки зі своїми цілями, завданнями, методами і предметами дослідження.

І нарешті, підсилення інтегративних процесів у науці, в умовах суперечливої єдності процесів інтеграції та диференціації, проблема взаємопроникнення фундаментальних і прикладних досліджень, а також дослідно-конструкторських розробок (ДКР) стає особливо важливою.

Фундаментальні дослідження направлені на відкриття нових явищ природи (дійсності), виявлення найбільш глибоких, істотних зв’язків та взаємодій, які визначають механізми вивчаємих процесів. Фундаментальні наукові теорії виступають методологічною основою розвитку прикладних наукових дисциплін. Останні історично сформувалися на базі практичного використання результатів природничонаукових досліджень які направлені на задоволення тих чи інших практичних потреб.

Метою прикладних наукових досліджень є пошук загальних принципів і методів використання результатів фундаментальних досліджень. Перед прикладними дослідженнями не ставиться завдання створення технічного об’єкта. Мета цих досліджень – “забезпечити інженера знаннями, які дозволяють створити технічний об’єкт, тобто знаннями про шляхи та характерні особливості тих явищ, які можуть набути практичне застосування” [1, С. 24]. У свою чергу, ДКР використовують результати прикладних досліджень з метою модернізації вже існуючих або створення нових технічних об’єктів. ДКР базуються на відомих конструктивно-технічних і технологічних знаннях, використовуючи для проектування реального технічного пристрою (установки, машини) не тільки абстрактно-теоретичні схеми природознавства, а також ідеальні моделі технічної теорії: структурні, функціональні, процесні та інші схеми. ДКР є ядром технічного дослідження, результати якого повинні задовольняти суспільну практичну потребу.

Термін “техніка” походить від грецького слова “techne”, яке означає вміння, майстерність. Це підтверджує той факт, що технічні об’єкти – це реальні об’єкти, які штучно створені для виконання певних доцільних функцій, зокрема для здійснення процесу виробництва й обслуговування невиробничих потреб суспільства.

Техніка – поняття збиральне. Вона визначається як:

1) засіб праці (виробнича точка зору);

2) суспільна матеріальна система (системна точка зору);

3) особливим чином організована людиною сукупність перетворень речовини, енергії й інформації та взаємозв’язок між ними, які характеризують її “входи” і “виходи” (кібернетична точка зору).

Відомо, що до техніки відноситься сукупність механізмів, пристроїв, установок і машин, а також систем і засобів керування, добування, зберігання, перероблення та передавання речовин, енергії й інформації. Це відповідає основним виробничим елементам техніки:

1) матеріали (на що діє техніка);

2) енергія (чим діє техніка);

3) технологія (як діє техніка).

Продуктом виробничої техніки є вироби(деталі, складальні одиниці, комплекти та комплекси.

Як ми раніше висвітлили, технічний об’єкт має подвійну природу, як синтез природного та штучного. Їх штучність виражається у тому, що вони є продуктом творчої діяльності людини, відображаючи у собі цілі цієї діяльності. Для здійснення своїх цілей людина перетворює речовини, матеріали та тіла природи, надає їм визначену форму та властивості, які відповідають заданій функції. Межі “штучного” завжди визначаються “природним”, тобто властивостями тіл, фізичних полів, проявленням законів природи, які установляються природничими науками.

З точки зору системології (учення про системи), об’єкти техніки являють собою відкриті цілісні матеріальні системи, які займають проміжну позицію між двома саморозвиваючими системами – людським суспільством і природою, а саме є частинним випадком антропогенних несаморозвиваючих штучних систем (від гр. anthropos – людина + denos – походження).

Технічний об’єкт (ТО) – створений людиною або автоматом реально існуючий пристрій, призначений для задоволення певної потреби.

До ТО можна віднести окремі машини, апарати, прилади, ручні знаряддя праці, будинки, споруди, одяг і т. п. пристрої, що виконують певну функцію (операцію) з перетворення речовини (живої та неживої природи), енергії або інформаційних сигналів. До ТО будемо також відносити будь-який з елементів (агрегат, блок, вузол, деталь), із яких складаються машини, апарати, прилади тощо, а також будь-який з комплексів взаємопов’язаних машин, апаратів, приладів. Це може бути технологічна лінія, цех, завод і т. п.

Зазначимо, що як синонім поняття «технічний об’єкт» в літературі часто використовують поняття “технічна система”. Як випливає з попередньої лекції, системотехніка є теоретичною основою аналізу існуючих та проектування нових технічних систем [2].

Як правило, системотехніка своїм предметом дослідження має складні технічні та технологічні системи. Відповідно до підходу Дж.Клира [3], система як об’єкт дослідження є, з одного боку, множиною властивостей, із кожною з яких пов’язана множина його проявів, а з іншого боку – множиною базисів, із кожним з яких пов’язана множина її елементів. Звідси, система досліджуваного об’єкта формально може бути представлена у вигляді математичної моделі:

(5.1)

Де і-та властивість і множина її проявів відповідно; j-ий базис і множина елементів; – модель досліджуваного системного об’єкта, яка не враховує ієрархічну структуру цілей і задач управління (керування) обєктом.

Як показали М.З. Згуровський, Н.Д. Панкратова [4], рекурсивно вкладеним технічним системам, як об’єктам системного дослідження, характеристики кожного з яких визначають цілі системного дослідження, можна надати такі означення [4, с. 69-70]:

v Технічна система – матеріальний цілісний об’єкт, призначений для виконання певної функції у заданих умовах, технічно реалізований на основі впорядкованої за номенклатурою, скінченної множини функціонально взаємозалежних, структурно взаємопов’язаних функціональних елементів, які технологічно взаємодіють.

v Складна технічна система – матеріальний цілісний об’єкт, призначений для виконання скінченної множини функцій у заданих умовах, технічно реалізований на основі впорядкованої за номенклатурою, скінченної множини функціонально взаємозалежних, структурно взаємопов’язаних функціональних технічних систем, які технологічно взаємодіють.

v Складна ієрархічна система – це цілісний об’єкт, утворений із функціонально різнотипних систем, структурно взаємопов’язаних ієрархічною підпорядкованістю і функціонально об’єднаних для досягнення заданих цілей за певних умов. Прикладами таких систем можуть служити сучасні виробничі об’єкти, космічні системи зв’язку, навігації, дистанційного зондування, всесвітня система об'єднаних комп'ютерних мереж для зберігання і передачі інформації (Інтернет), сучасні системи управління регіонами, корпораціями, багатопрофільними фірмами тощо.

Потреба, або функція технічного об’єкта P – це призначення ТО або мети його створення (існування). Нехай уведемо позначення: D – вказівки дії, які виконує даний ТО, що приводить до бажаного результату, тобто до задоволення (реалізації) потреби особи, фірми, підприємства, організації, установи тощо; G – вказівка на об’єкт, або предмет праці (обробки), на яке спрямовані дії D; H – зазначення особливих умов і обмежень, за яких виконуються дії D. Тоді формалізація потреби можна подати у вигляді триплета:

P = áD,G,Hñ.(5.2)

Поняття потреби завжди пов’язано з людиною (колективом людей, соціумом, суспільством) або автоматом (сукупністю автоматів), які поставили завдання реалізації потреби (і, можливо, які виконують проектування відповідного ТО та його виготовлення).

Призначення технічної системи – декларативна здатність системи реалізовувати на практиці функції, які забезпечують досягнення визначеної мети. Призначення системи може бути можливе чи плануюче. Призначення системи забезпечує можливість використання системи як засобу досягнення мети.

На відміну від конкретної потреби, поняття функції завжди пов’язано з ТО, яка реалізує цю потребу. Функції системи – дії системи, які виражаються у зміні можливих її станів і спричиняє досягнення визначених цілей (призначення системи). Іншими словами, функція – це роль, яку виконує система чи її певні компоненти (підсистеми) для досягнення поставлених перед системою цілей (призначень системи).

Мета функціонування технічної системи – кінцевий конкретний стан або результат, який намагаються досягти. Синонімами слова “функціонування” є працювати, здійснювати роботу, здійснювати функцію або функції, бути в дії, діяти, тощо.

Технічна функція (ТФ)– це поняття F, яке складається з двох частин: задоволена потреба P і фізична операція Q, а саме :

F = á P, Qñ(5.3)

У функціонально-вартісному аналізі функції поділяються на [7]:

1) головну функцію, що відповідає меті (призначенню) системи;

2) основні (базові) функції, які відображають орієнтацію системи;

3) допоміжні (сервісні) функції ;

4) непотрібні (некорисні) функції;

5) шкідливі функції.

Якщо x_i Î X, – змінні, що визначають функцію детермінованої системи, які для кожного елемента дають залежність вихідних змінних від вхідних, то множина функцій Ф залежить від множини змінних X, тобто

Ф =f (X), (5.4)

де f – символ функції.

У 1975 р. німецький вчений Рудольф Коллер запропонував функціонально-фізичний метод – метод систематизованого пошуку принципово нових технічних рішень, який ґрунтується на "Теорії конструювання на основі перетворення потоків". Всі ТС за наявністю в них основних потоків енергії, речовини або інформації Р. Коллер ділить на три класи:

1) машини – характеризуються потоками і перетворенням енергії;

2) апарати – потоками і перетворенням речовин;

3) прилади – потоками і переробкою інформації (сигналів).

Всі зміни в ТС зв'язуються тільки зі змінами властивостей і станів цих потоків, які можна звести до кінцевого числа елементарних функцій і основних операцій (дій). Р. Коллер порахував, що набір основних операцій складається з 14 пар прямих і зворотних перетворень: 1) випромінювання – поглинання; 2) провідність – ізолювання; 3) збір – розсіювання; 4) проведення – непроведення; 5) перетворення – зворотне перетворення; 6) збільшення – зменшення; 7) зміна напрямку – зміна напрямку; 8) вирівнювання – коливання; 9) зв'язок – переривання; 10) з'єднання – роз'єднання; 11) об'єднання – поділ; 12) накопичення – видача; 13) відображення – зворотне відображення; 14) фіксування – розфіксування.

Процеси в технічній системі – це послідовні зміни станів системи або сукупність послідовних дій для досягнення визначених результатів.

Процесний підхід в організаційних системах розглядає управління, як безперервний ланцюг взаємопов’язаних управлінських функцій (процесів), кожен з яких складається з серії взаємопов’язаних дій. Зокрема, це процеси планування, організації, мотивації, контролю, комунікації, ухвалення рішень та інших дій, спрямованих на досягнення загальної мети організації.

Процесний підхід в технічних системах має справу з керуванням з боку керуючої (автоматичної) системи і з потоковими зв’язками – це елементи, які реалізують певні фізичні операції та утворюють потік речовини, енергії, сигналів, які проходять перетворення. Усі функції системи виконуються при наявності (за допомогою) потоків. Розрізняють такі види потоків: матеріальні, енергетичні, інформаційні, фінансові, людські та ін.

Позначимо буквоюQфізичну операцію. Тоді фізична операція (ФО)– фізичне перетворення заданого вхідного потоку П_вх. , або фактору, у вихідний потік П_вих.(фактор). Посередником цього перетворення є операція Р. Коллера, яка позначається буквоюЕ. Якщо вхідний потік П_вх. відповідає на запитання «що ?», вихідний потікП_вих. – «в що ?», то операція Р. Коллера відповідає на запитання «як ?». Опис фізичної операції формалізовано можна подати таким чином:

Q=(П_вх. ® Е ®П_вих.). (5.5)

У табл. 5.1.наведемо декілька прикладів опису фізичних операцій Р. Коллера.

Таблиця 5.1

Опис фізичних операцій за допомогою операції Р. Коллера

Потоки в системі пов’язані зі структурою, яка виконує роль обмежень на потоки в просторі та в часі. О.І. Половінкін розрізняє функціональні структури (ФС) технічних об’єктів двох видів: конструктивна ФС і потокова ФС, які доповнюють одна іншу. Як відомо [8], функціональна структура відображає функціональні зв’язки між об’єктами (логічна структура), а потоковаструктура – потокові зв’язки (прагматична структура). Вважається, що функціональна структура ТО буває двох видів: конструктивна ФС і потокова ФС, які доповнюють одна одну.

Конструктивна ФС являє собою орієнтований граф, вершини якого є найменування елементів, а дуги – функції елементів. Як приклад, розглянемо конструктивну ФС електричної частини електроплитки (рис.5.1). Електромережа V₁ є джерелом напруги, яка за умови замкнутості електричного кола, викликає електричний струм І (функція Ф₁). Провід V₂ має функцію Ф₂ – проводити струм від електромережі до штепсельної розетки V₃, яка з’єднує і роз’єднує провід з електромережею (функція Ф₃). Від штепсельної розетки струм тече по провіднику V₄, який приєднаний до спіралі (функція з’єднання Ф₄). Спіраль V₅ нагріває ємність з рідиною V₆ до кипіння (функція Ф₅).

V₁ V₂ V₃ V₄ V₅ V₆

Рис. 5.1. Конструктивна функціональна структура побутової електроплитки

У потоковій ФС кожний елемент реалізує певну ФО на основі одного чи декількох фізико-технічних ефектів (ФТЕ) – різних застосувань фізичних законів, закономірностей та наслідків з них, фізичних ефектів і явищ (закон Ома, ефект Пельтьє, явище електромагнітної індукції тощо). Основний процес переводить вхід системи у вихід. Наприклад, аналоговий сигнал перетворюється у дискретний, матеріал – у виріб, холодна вода – у гарячу.

Потокова ФС являє собою граф, вершини якого є найменування елементів технічної системи або найменування операцій Коллера Е (випромінювання-поглинання, провідність-ізолювання, збір-розсіювання, перетворення, збільшення-зменшення тощо), а дугами – вхідні та вихідні потоки (фактори). Зокрема потокова ФС має вигляд, зображений на рис. 5.2.

Зв'язок – переривання електричної напруги штепсельною розеткою і вилкою (фактор П₁) викликає у проводі W₁ електричний струм або відсутність його. Електричний струм провідності по суті є потоком електромагнітної енергії П₂ у провіднику (проводі). Проходження струму по вольфрамовій спіралі W₂ викликає потік теплової енергії П₃ , який нагріває воду в каструлі W₃ , і потік електромагнітної енергії П₄ (переважно у вигляді інфрачервоного випромінювання), який нагріває повітря і предмети зовнішнього середовища W₄ .

Функціональний аспект опису технічної системи пов'язаний з відображенням принципів її функціонування і способів дії, характеру фізичних й інформаційних процесів, які протікають в системі, і знаходять відображення в принципіальних, структурних, функціональних і кінематичних схемах та супровідних документах.

Принцип дії розглядається як основна процесна характеристикатехнічної системи, яка вказує на її функціональну структуру, а також на закони природи, які виражені фізичними явищами й ефектами, законами фізики та хімії, та які визначають хід процесу та його основні особливості. З “принципом дії” пов’язана характеристика процесу, який здійснюється в технічному об’єкті та основні дії, які об’єкт здатний зробити.

П₃ W₃

W₁

П₁ П₂ W₂

П₄

W₄

Рис. 5.2. Потокова функціональна структура побутової електроплитки

Наприклад, в класі “асинхронні двигуни” реалізується один і той же принцип дії, який базований на законах Біо-Савара-Лапласа, Ампера, електромагнітної індукції Фарадея і динаміки обертального руху. Дійсно, при протіканні трифазного змінного струму по обмотках статора в електродвигуні створюється обертальне магнітне поле, яке наводить електрорушійну силу (ЕРС) і струм індукції в обмотках ротора. Взаємодія струму ротора з магнітним полем статора викликає момент сил, що обертає ротор з кутовою швидкістю, яка менше швидкості поля (ефект асинхронізму).

Якщо в явищах і процесах приймають участь тільки фізичні закони то говорять про фізичний принцип дії (ФПД). Для опису ФПД визначеного технічного об’єкта використовується віртуальний фонд природничо-наукових і науково-технічних ефектів (ПН і НТЕ), який створений російськими науковцями (започаткував О.І. Половінкін) і реалізований на основі Інтернет-технологій (див. http // www.effects.ru/ ). Зокрема, проектування нових пристроїв захисту від ураження електричним струмом не уможливлюється без розв’язання складної задачі пошуку нових ФПД, шляхом автоматизованого чи автоматичного синтезу на базі ЕОМ з використанням віртуального фонду ПН і НТЕ. Можна показали, що принцип дії класу “асинхронні двигуни” одночасно реалізує декілька ПН і НТЕ.

Термін “спосіб дії ” означає спосіб реалізації певного ФПД, який здійснюється в певному класі технічних об’єктів, а також конструктивне оформлення ФПД, один із варіантів технічних рішень, який відповідає підкласу об’єктів. Варіантами технічних рішень можуть бути асинхронні двигуни, які мають різноманітні структури ротора: короткозамкнута обмотка типу “біляча клітка”, фазний ротор, масивний ротор, порожнистий ротор тощо.

Традиційні технічні системи, які удосконалюються, або спроектовані нові системи піддаються експлуатаційним випробуванням на процеси функціонування в різних режимах.

Під “режимом функціонування” (“режимом роботи”) електротехнічного пристрою (виробу) розуміється сукупність умов роботи за певний інтервал часу з врахуванням їх тривалості, послідовності, а також значень і характеру навантаження. Вказаним умовам роботи відповідають певні значення експлуатаційних параметрів. Тому в теорії надійності вказаний термін означає сукупність значень експлуатаційних параметрів виробу при використанні його за призначенням. До вказаних параметрів відносяться потужність, швидкість, циклічність роботи, тривалість неперервної роботи тощо.

Технічне рішення (ТР) – це конструктивне оформлення ФПД або ФС. При цьому використовують такі групи ознак [6]:

· перелік основних елементів;

· взаємне розташування елементів у просторі;

· способи і засоби з’єднання та зв’язки елементів між собою;

· послідовність взаємодії елементів у часі; особливості конструктивного виконання елементів (геометрична форма, матеріал і т. д.);

· принципово важливі співвідношення параметрів для ТО в цілому або окремих елементів.

Описується ТР на природній мові з графічним зображенням. Для цього широко застосовується відповідне програмне забезпечення. Зокрема, для систем автоматизованого проектування (САПР) використовують програми проектування CAD, CAM, CAE та ін. Як результат отримують проект. В інженерній діяльності проект (від англ. design, від лат. designare –

розмічати, вказувати, описувати, винаходити) – цілісна сукупність моделей, властивостей або характеристик, описаних у формі, придатній для реалізації системи.

Технічні об’єкти уявляться й аналізується як технічні системи, які мають певні якості, властивості, параметри, показники, характеристики та інші атрибути (істотні ознаки, невід’ємні властивості). Здійснимо спробу їх описати та пояснити.

Почнемо з характеристики, тобто з відмітної властивості технічних об’єктів. Розглядають такі класи характеристик електротехнічних виробів:

· фізична характеристика(механічна, теплова, електрична, електромагнітна);

· ергономічна характеристика(конструкторська, фізіологічна, естетична, екологічна, безпека людини);

· технічна характеристика(технічні властивості, технічні характеристики, технічні параметри, технічні показники);

· процесна характеристика(принцип дії, спосіб дії, фізична операція);

· функціональна характеристика (продуктивність, швидкодія, точність, режими функціонування);

· характеристика якості(якість вихідних матеріалів, ефективність, надійність, живучість, ремонтопридатність);

· часова характеристика(безвідмовність, доступність);

· економічна характеристика (затрати матеріалів, затрати енергії, затрати на підготовку та отримання інформації, габаритні розміри технічного об’єкта);

· характеристика простежуваності (змога простежити ретроспективу створення та вдосконалення технічного об’єкта, сферу застосування або місцезнаходження).

Термін “параметр” означає ознаку виробу, яка кількісно характеризує будь-які її властивості або стани. Можна говорити про параметри силового кабелю (кабелю, призначеного для передачі електричної енергії струмами промислової частоти) або про параметри режиму короткого замикання (КЗ) електротехнічного пристрою, які характеризують його роботу в даному режимі. Наприклад, до параметрів електродвигуна відносяться геометричні розміри, споживана потужність, частота обертання ротора, характеристики вхідного енергетичного потоку (напруженість електричного поля, напруга, сила струму, частота струму).

У системотехніці розрізняють внутрішні параметри x₁, x₂, …, x_n технічної системи, які задаються вектором

X = (x₁, x₂, …, x_n). (5.6)

Вихідні параметри, які характеризують дію системи на зовнішнє середовище, задаються вектором

Y = (y₁, y₂, …,y_k), (5.7)

де y₁, y₂, …, y_k – вихідні параметри системи.

Управління може бути з боку людини (управлінські дії з боку людини-оператора). Прикладом може бути управління, яке здійснює людина, яка є частиною ергатичної системи, тобто системи “людина – машина – зовнішнє середовище”.

Може розглядатися керування з боку технічної автоматичної керуючої системи. Прикладом може бути контролер (від англ. controller – регулятор, керуючий пристрій), тобто пристрій керування в електроніці та обчислювальній техніці.

Управління (керування) з боку керуючої системи задаються вектором

Q = (q₁, q₂, …,q_m), (5.8)

де q₁, q₂, …, q_m – параметри управління або параметри керування.

Збурення з боку зовнішнього середовища, задається вектором

G = (g₁, g₂, …,g_r). (5.9)

де g₁, g₂, …, g_r – параметри збурення системи.

Функція системи полягає в перетворенні входів Q у виходи Y, тобто:

Q Þ Y, (5.10)

а властивості та поведінка системи залежить від внутрішніх і зовнішніх параметрів.

Поведінка технічної системи – зовнішній прояв її функціонування. У більш широкому сенсі, поведінка системи (не обов’язково технічної) – це сукупність дій даної системи і всіх її реакцій на зовнішні впливи. До поведінки відноситься зміни, зростання, ускладнення чи спрощення структури (руйнування), розвиток.

Поведінка відносно простої технічної системи описується математичною моделлю (ММ) виду:

Y = F ( X, Q, G), (5.11)

де F– оператор, тобто закон відповідності внутрішніх, керуючих і збурювальних параметрів параметрам виходу Y технічної системи (рис. 5.3).

Зауважимо, що при функціонуванні, а тим більше, при розвитку системи, деякі вихідні параметри y_і, ( ), приймають різні числові значення, тобто залежать від часу y_і (t), тому вони називаються фазовими змінними стану системи.

G(Зовнішнє середовище)

Q (Вхід)

Y(Вихід)

Рис. 5.3. Формальна модель системи, яка керована зовні

Наступний термін “показник” раціонально розглядати під кутом зору кваліметрії – галузі науки, яка узагальнює існуючі теорії вимірювання та оцінювання якості в різних галузях знань.

Якщо n₁, n₂,…,n_k – параметри системи (процесу), то показник u є функцією від параметрів (факторів), тобто має місце

u= u (n₁, n₂,…,n_k). (5.12)

У даному випадку “показник” – кількісна характеристика будь-якої властивості системи або цілеспрямованого процесу, яка є результатом вимірювання або розрахунку.

При функціонуванні системи неминуче виникає питання стійкості – «…здатності системи прямувати з різних початкових станів до деякого рівноважного (стаціонарного) стану» [10, с. 678]. Зазначимо, що стійкість поведінки (руху) систем являє собою одно із виявів емерджентності (від англ. emergent – несподівано виникати) – наявність у системи властивостей цілісності, тобто таких властивостей, які не притаманні складовим елементам.

Таким чином, стійкість – здатність системи зберігати постійними, або в припустимих межах, свої параметри, підтримувати заданий режим функціонування або продовження руху по накресленій траєкторії, незважаючи на збурені дії зовнішнього середовища и розвитку самої системи.

Як правило, стійкість є позитивною властивістю системи, яка забезпечує її функціонування, розвиток і збереження цілісності. Однак у ряді випадків стійкість відображає інерційність – «…здатність системи протидіяти зовнішнім і внутрішнім діям, які мають мету змінити її раніше намічений рух або розвиток» [11, с. 73]. Інерційність відображають рутинність систем, що обмежує управління (керування) ними.

Велику актуальність має проблема обґрунтування видів стійкості. На наш погляд раціонально виділити два ієрархічні рівні стійкості:

1) для простих систем (складених із малої кількості зв’язаних між собою елементів) – пасивні форми стійкості;

2) для складних систем – активні форми стійкості .

До пасивних форм стійкості відносяться:

а) міцність;

б) збалансованість;

в) гомеостаз;

г) стабілізація.

Дамо короткий аналіз деяким вказаним формам стійкості (більш детально є в роботі [12] ).

Гомеостаз (від гр. ὅμοιος – однаковий, подібний і στάσις – стояння, нерухомість) забезпечує рухливу стійкість системи. Як відомо [13], в живому організмі управління здійснюється на трьох рівнях:

1) гомеостаз (системи регулювання вегетативних функцій);

2) безумовні рефлекси;

3) умовні рефлекси.

Гомеостаз є пристосувальний чинник поведінки організму за допомогою негативних зворотних зв’язків (НЗЗ). При змінах впливу зовнішнього та внутрішнього середовища живі організми намагаються забезпечити оптимальні умови свого існування. Ці умови припускають збереження важливих констант організму (температури, тиску, густини крові і т. ін.) в певних допустимих межах, які витікають із внутрішньої організації біологічної системи. Гомеостатичні механізми враховуються у сучасних системах штучного інтелекту, а також в інших складних системах, достатньо повних опис яких досить утруднений.

Технічні системи стабілізації реалізуються в автоматичних системах, зокрема в системах автоматичного регулювання (САР). У вказаних системах значення вихідної регульованої (керованої) величини x (t) підтримується або постійним (в системах автоматичної стабілізації) або змінюється у відповідності до заданої програми (в системах програмного керування та в слідкувальних системах). В даних системах на вхід регулятора (автоматичного керувального пристрою) подається задавальний сигнал x₀ (t), який має інформацію про мету керування (величина x₀ (t) постійна, змінюється по заданій програмі або по довільному закону відповідно в системах стабілізації, програмного керування чи слідкувальних системах). Регулятор або інший керуючий пристрій формує керувальну дію m(t), враховуючи збурення l (t) зовнішнього та внутрішнього середовища. Таким чином формується бажане значення регульованої (керованої) величини x (t).

Зазначимо, що системи керування можуть бути:

а) розімкнуті, які реалізують принцип керування по збуренню (Понселе-Чіколєва), в яких закон регулювання формується як результат вимірювання збурення з метою його компенсації;

б) замкнуті, які реалізують принцип керування по відхиленню (Ползунова-Уатта) завдяки наявності негативного зворотного зв’язку. Це дозволяє усунути відхилення незалежно від того, яким збуренням воно викликано.

До активних форм стійкості відносяться [12]:

а) перешкодостійкість;

б) саморегулювання;

в) керованість;

г) адаптація;

д) самонавчання;

е) самоорганізація;

ж) надійність;

з) живучість.

Зазначимо, що наявність структури в складній системі припускає існування таких властивостей, як цілісність, стійкість й адаптивність.

Як відомо [14], адаптація (від лат. adapto – пристосування) – здатність природних і технічних систем пристосовуватися до змін умов зовнішнього середовища або / і до своїх внутрішнім змінам, що спричиняє до підвищення ефективності їх функціонування.

Іншими словами, адаптація є реакцією на зміни умов, які протидіють дійсному чи можливому зниженню ефективності функціонування системи. При цьому, розрізняють два види адаптації [15]:

а) пасивна адаптація – система змінює свої властивості (поведінку) в середовищі, яке змінюються;

б) активна адаптація – система змінює властивості (поведінку) середовища.

Очевидно, що при пасивній адаптації можлива зміна структури системи. Це дає можливість гнучко реагувати на зміни ситуації (зовнішнього середовища) або на зміни мети розвитку системи.

Наступна активна форма стійкості технічних систем – надійність. Це складна властивість, яка в загальному випадку складається із поєднання таких властивостей, як безвідмовність, довговічність, ремонтоздатність і збереженість.

Надійність – «…властивість об’єкта зберігати в часі в установлених межах значення всіх параметрів, які характеризують здатність виконувати потрібні функції в заданих режимах і умовах застосування, технічного обслуговування, ремонту, зберігання і транспортування» [16, с 185]. Іншими словами, «надійність – здатність системи (об’єкта) виконувати задані функції, зберігаючи в часі значення встановлених експлуатаційних показників в заданих межах, відповідних заданим режимам і умовам використання, технічного використання та ремонту» [4, с 436].

Надійність має певне відношення до ефективності системи. Ефективність – “це співвідношення між досягнутим результатом і використаними ресурсами” [17, с. 7], зокрема часовими, енергетичними, матеріальними, економічними тощо.

Складні технічні системи, які мають ієрархічну структуру та які наділені властивостями адаптації та самоорганізації, повинні високу живучість. Це означає, що такі системи активно протистоять шкідливим діям зовнішнього середовища.

Більш точне визначення таке. «Живучість – здатність системи зберігати властивості, необхідні для виконання потрібних функцій, при наявності діянь чи впливів, не передбачених умовами нормальної експлуатації» [16, с 168].

Активність системи забезпечується її організованою структурою і поведінкою, що не спричиняє до відмови всієї системи навіть при відмові будь-якого компонента системи. Проте при цьому спостерігається деяке зниження ефективності функціонування системи, яке характеризує пристосовуваність системи до досягнення мети функціонування (розвитку). Для підвищення живучості технічних систем застосовують високонадійні структурні елементи, уводять при проектуванні функціональну та структурну надлишковість, резервують компоненти, які повинні мати модульний склад.

Термін «модуль» (від лат. modulus – міра, такт, ритм, величина) в науці та техніці використовується з кінця XVIII ст.. Цей термін у математиці відіграє роль інваріанта, у фізиці та в прикладних науках – має назву деяких коефіцієнтів, в архітектурі та будівництві – визначає вихідну міру для вираження кратних метрологічних співвідношень розмірів частин будівлі або спорудження.

У техніці внаслідок об’єктної (морфологічної) декомпозиції проектуються конструктивні модулі різного ступеню складності, ознакою яких є конструктивна завершеність, що «…розглядається безвідносно до функціонального й інформаційного змісту і є конструктивною мірою у проектуванні, виготовленні й експлуатації технічних систем» [18, c. 65].

Функціональна декомпозиція породжує функціональні модулі, які «…розглядаються безвідносно до фізичної реалізації, та можуть слугувати функціональною мірою (одиницею) у проектуванні, виготовленні й експлуатації технічних систем» [19, с. 141]. Прикладами таких модулів (уніфікованих вузлів) є коробка передач автомобіля, блок живлення радіоприймача, модуль рядкової розгортки телевізора, автоматичний пристрій для переміщення й утримання в просторовому положенні ковзної опалубки монолітного будівництва. Як вказує А. Бор-Раменський, «основною відмінною особливістю модуля від простої цілісності є наявність у нього сукупності властивостей, які дозволяють, не руйнуючи систему (структуру), в яку він входить, за необхідності вилучати його, замінюючи на інший, який має те ж саме функціональне призначення, проте має, наприклад, більшу ефективність» [18, с. 32].

Окрім пасивних, головну роль у розвитку техніки і технології початку ХХІ ст. відіграють активні модульні елементи та їх системи: мікропроцесори, високопродуктивні комп’ютери, нейрокомп’ютери, системи штучного інтелекту, інтелектуальні силові модулі, промислові роботи, інтегровані гнучкі виробничі системи, а також адаптивно-самокеруючі, самоорганізуючі, самовідновлювальні та самовідтворювальні системи. Універсальність активних модулів та їх систем пов’язана з їх розширеними функціональними можливостями, які попередньо програмуються або ситуаційно само програмуються та мають велику ступінь організованості та цілісності [12; 20].

Ознаками поняття “модуль” у техніці є: автономність, цілісність (конструктивна або функціональна завершеність), структурна або функціональна взаємозамінність. Очевидно, що структурна взаємозамінність зумовлена заміною модулів або їх елементів, а функціональна – зміною відношень або зв’язків між модулями (елементами).

Дамо короткий аналіз деяким іншим вищеназваним формам стійкості, які притаманні динамічним системам, зв’язки в яких являють собою взаємодію (механічну, фізичну, хімічну, інформаційну тощо), а також більш досконалим системам – функціональним системам. Останні визначаються функціональними зв’язками і їм притаманна організація.

Якщо в динамічних системах на основі взаємодії системо утворююче відношення і властивості всієї системи детерміновані властивостями вихідних елементів, то в системах з функціональними зв’язками властивості елементів і характер їх взаємодії суттєвим чином де термінується цілісною системою. Важливо підкреслити, що якщо рухлива стійкість динамічних систем забезпечується гомеостазом, то у випадку функціональних систем стійкість, крім гомеостазу, забезпечується за допомогою саморегулювання або/і управління (керування). Зауважимо, що термін «керування» ми застосовуємо для технічних систем.

Такі функціональні системи, як живий організм, популяції, біогеоценоз, біосфера, ноосфера, екосистема, економіка, складна технічна система і т. д. мають специфічну форму внутрішньої самодетермінації і одночасно як спосіб забезпечення стійкості – саморегулювання, самоуправління (самокерування). Функціональні системи, яким притаманне управління, є об’єктом дослідження кібернетики. Очевидно такі системи входять в клас кібернетичних систем.

Будь-яка система управління (керування) має щонайменше три основні частини:

1) керуюча, кібернетична підсистема (людина і його центральна нервова система, комп’ютер, регулятор, контролер тощо;

2) керована підсистема (об’єкт управління, об’єкт керування);

3) канали прямого та зворотного зв’язку.

Об’єкт управління чи об’єкт керування, як відкрита підсистема, взаємодіє зі зовнішнім середовищем, яке чинить на нього збурюючу дію. Керуюча (кібернетична) підсистема, маючи інформацію про мету управління (керування), тобто про бажаний стан об’єкта, формує керуючу дію (управління, керування), яке забезпечує відповідність реального стану об’єкта бажаному.

Зазначимо, що кібернетична підсистема діє за тритактним принципом: прямий зв'язок (від керуючої підсистеми до керованої підсистеми), зворотний зв'язок (від керованої підсистеми до керуючої підсистеми), корекція прямого зв’язку. Вказане реалізується за допомогою керуючої інформації (сигнали керування, команди, накази тощо). Надходження інформації спричиняє до зняття (зменшення) деякої апріорної невизначеності та різноманітності, тобто зменшення ентропії. Це робить поведінку системи завбаченим. Отже, інформація знищує різноманітність, а зменшення різноманітності є одним із головних принципів управління (керування).

Таким чином, управління (керування) – особлива функція складних систем, спрямована на або на збереження її основної якості (тобто сукупності властивостей, втрата яких призводить до руйнування системи), або на виконання деякої програми, що забезпечує стійкість функціонування системи і досягнення нею певної мети.

Очевидно, управління (керування) дозволяє кардинальним чином зменшити коливання параметрів системи, які вельми значні в системах з гомеостазом або з саморегулюванням. Це означає, що управління (керування) є ускладнений спосіб забезпечення стійкості.

Зазначимо, що для складних технічних, ергатичних і соціальних систем важливу роль відіграє ситуаційне управління (керування) [21].

Ситуація– певний стан s_i, із певної кінцевої множини Sчисла n станів системи (s_i ÎS, ) та середовища її функціонування, що характеризується апріорі встановленими інтервалами значень показників системи та функціональних характеристик середовища.

Проаналізуємо рівні якості технічних систем в напрямі зростання їх складності до рівня динамічної нерівноважної структури, яка функціонує та розвивається як цілісна система, що здатна за певних умов самозберігатися, самовідновлюватися та самовідтворюватися. Це відноситься до сучасних та перспективних виробів, зокрема виробів штучного інтелекту.

Відносно прості вироби техніки мають первинну якість – стійкість (durability, D-якість), яка об’єднує такі властивості, як міцність, твердість, збалансованість, стабілізація, надійність, динамічна стійкість до впливу зовнішніх факторів (гомеостаз стану, який реалізується в каузальних системах зі зворотними негативними фізичними зв’язками),. Зазначимо, що гомеостаз – це система скоординованих реакцій, спрямованих на забезпечення, підтримання або відновлення сталості внутрішнього середовища системи.

Для систем переробки інформації та зв’язку притаманна І-якість (шумостійкість) – це здатність системи без спотворень сприймати і передавати по каналам повідомлень інформаційні потоки. Іншими словами, шумостійкість – це протидія завадам. Очевидно, що І-якість включає в себе якості попереднього рівня, а саме надійність систем переробки інформації та зв’язку, їх пропускна здатність, електромагнітна сумісність, можливість кодування тощо.

Наступний рівень є керованість (control, С-якість) завадостійких систем, які мають прямий і зворотний зв'язок та здатні переходити за певний час із одного стану (наявного) в інший стан (потрібний) під дією керованих дій.

Керованість розглядається в рамках кібернетичного підходу – дослідження системи на основі принципів кібернетики, зокрема за допомогою виявлення прямих і зворотних зв'язків, вивчення процесів управління (керування), розгляду елементів системи як «чорних ящиків» (систем, в яких досліднику доступна лише їх вхідні і вихідна інформація, а внутрішній устрій може бути і невідомо).

Керованість об’єднує такі властивості системи, як “жорсткість” програмного керування, оперативність, швидкість дії, інерційність, точність, стабільність. Це реалізується для систем зі зворотними негативними функціональними зв’язками, (саморегулюючі системи, системи автоматичного регулювання, екстремальні системи автоматичного керування тощо).

Отримуючи інформацію (сигнали) про навколишнє середовище (довкілля) системи з С-якістю оцінюють своє положення по відношенню до границі гомеостазу (вектор X) і формують свої дії в залежності від характеру цієї інформації (вектор V). Тобто такі системи (подібно живому організму) відносяться до класу систем управліннярефлексивного типу і формують реальні рухи за допомогою зворотного зв’язку РЕАКЦІЯ = f (СИГНАЛ), тобто формально V = f (X), намагаючись відійти від своєї гомеостатичної межі, яка пов’язана з ризиком виходу з програмного функціонування чи руйнування (гомеостаз забезпечує стійкість системи, якщо зв’язки між елементами системи являють собою взаємодію).

Розроблені до теперішнього часу технічні системи відносяться до класу керованих систем рефлексивного типу, які можуть здійснювати тільки доцільні дії. Іншими словами, для відносно простих технічних систем мета є екзогенним чинником (зовнішнього походження). Іншими словами, мета створення та існування технічного об’єкта визначається його призначенням (як засіб діяльності людей, як матеріальна потреба).

Відповідно до сучасної теорії керування динамічними системами (Л.С. Понтрягін, М.М. Моісеєв, В.С. Михайлов та ін.) математична модель керування будується на основі системного аналізу об’єкта керування та синтезу алгоритму керування з метою отримання бажаних характеристик протікання процесу або реалізації цілей керування.

Нехай x– n-мірний фазовий вектор деяких характеристик технічної керованої системи (ТКС), значення яких моделюються; f – деяка функція; t– час; x(t) – k-мірний (k ≤ n) вектор збурень довкілля (зовнішніх впливів), який може бути:

1) стохастичним (випадковим, імовірнісним) і задається випадковою вектор-функцією x (t) або щільністю розподілу ймовірностей випадкової величини;

2) нечітким (англ. fuzzy) і задається характеристичною функцією підмножини М універсальної множини R(М Í R), яка називається функцією належності μ_м(х) Л. Заде, де M= { x, μ_м (х)|xÎ R };

3) нестохастично невизначеним в сенсі неповноти наших знань про досліджуване явище.

Виходячи з праці [22], можна записати математичну модель технічної керованої системи (ТКС) у вигляді звичайного диференціального рівняння:

= f [x, u(t), x(t), t], (5.13)

• ⇐ Назад
• 1
• 2
• 3
• 456
• 7
• 8
• 9
• Далее ⇒